CC BY
13УДК 556.535.8
ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОЛЖСКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ ПРИ АНОМАЛЬНЫХ ПОГОДНЫХ
УСЛОВИЯХ
© 2013 г. А.В. Селезнёва, К.В. Беспалова, В.А. Селезнёв
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук, г. Тольятти
Ключевые слова: качество воды, аномальные погодные условия, антропогенное эвтро-фирование, водохранилище, маловодные годы.
А.В. Селезнёва К.В. Беспалова В.А. Селезнёв
Представлены результаты мониторинга качества волжской воды (Саратовское водохранилище) при аномальных погодных условиях в 2010 году. Установлено влияние гидродинамических процессов и температурного режима на массовое развитие синезеленых водорослей и ухудшение качества воды.
Массовое развитие водорослей на водохранилищах Нижней Волги оказывает негативное воздействие на формирование качества воды, что осложняет использование водоемов в качестве источников питьевого водоснабжения.
Совместный анализ абиотических и биотических компонент водных экосистем убеждает в том, что массовое развитие синезеленых водорослей усиливается в маловодные годы при ослаблении гидродинамических процессов. За период наблюдений с 1968 по 1984 годы на Саратовском и Волгоградском водохранилищах наибольшая биомасса синезеленых водорослей (2,61 и 1,54 г/м3) наблюдалась в августе экстремально маловодного 1975 г. [1].
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
Связь между «цветением» воды и водностью отмечалась на Волге и до создания каскада водохранилищ. По данным Волжской биостанции, 1901 г. оказался крайне маловодным. «К концу июля часть Волги против г. Саратова превратилась в замкнутый бассейн, где в огромном количестве развивались синезеленые водоросли. Огромным их количество было и в коренной Волге» [2].
Основной целью исследований является попытка авторов дать количественную оценку влияния снижения водности на развитие водорослей и ухудшение качества волжской воды. Сложившиеся в Волжском бассейне летом 2010 г. аномальные погодные условия и катастрофическое маловодье (рис. 1) предоставили такую возможность.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
По данным Всемирной метеорологической организации, 2010 г. стал одним из самых жарких за всю историю метеонаблюдений. За последние 120 лет в бассейне Средней и Нижней Волги не было зафиксировано ни одного случая столь долгого антициклона. Вследствие аномальных погодных условий в летний период температура воздуха была существенно выше, а осадки ниже нормы, что привело к увеличению температуры воды и маловодью на Куйбышевском, Саратовском, Волгоградском водохранилищах. Гидродинамические процессы из-за штилевых условий были ослаблены, а регулирование водного стока осуществлялось в критических условиях.
Объект и методы исследований
В качестве объекта исследований было выбрано Саратовское водохранилище, образованное плотиной Саратовской ГЭС и расположенное между городами Тольятти (Самарская область) и Балаково (Саратовская область). Общая протяженность водохранилища составляет 341 км, объем - 12,9 км3. На берегах водохранилища расположены города Тольятти, Самара, Чапаевск, Сызрань, Хвалынск, Балаково, а также множество населенных пунктов, использующих водоем в качестве источника водоснабжения.
Наблюдения за качеством воды в период 2009-2010 гг. проводились лабораторией ИЭВБ РАН, имеющей аккредитацию и лицензию на ведение мониторинга водных объектов. Стационарный пункт наблюдений располагался на Саратовском водохранилище в районе Жигулевской плотины (верхняя часть водохранилища). Отбор проб воды осуществляли 1 раз в месяц по следующим показателям: биохимическое потребление кислорода (БПК5), растворенный кислород (O2), нитраты (NO3) и фосфаты (PO4). Для учета биомассы фитопланктона определяли хлорофиллы «а», «b», «с», так как стандартный метод с использованием микроскопа довольно трудоемок. Все показатели качества вод определялись в соответствии с действующими нормативными документами Росгидромета. Выявление содержания хлорофиллов предназначалось для оценки биомассы водорослей различных таксономических групп. Хлорофилл «а» содержится во всех группах водорослей, хлорофилл «b» указывает на развитие зеленых и синезеленых водорослей, а хлорофилл «с» встречается у диатомовых водорослей [3].
Учитывая временную изменчивость абиотических и биотических процессов, обусловленную суточным и недельным режимом работы Жигулевской ГЭС, пробы воды отбирали только в будние дни в интервале 10-11 ч и доставляли автотранспортом в лабораторию института.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
Результаты и обсуждение
Среднегодовой расход волжской воды в 2010 г. по сравнению с 2009 г. уменьшился с 7500 до 6200 м3/с. Объем водного стока составил 196 км3 и его следует отнести к маловодному году. Различают слабое, среднее и экстремальное маловодье. «Слабое маловодье» характеризуется небольшими отклонениями стока от его средней многолетней величины (обеспеченность от 50 до 75 %). «Среднее маловодье» имеет обеспеченность по стоку от 75 до 90 %. Годы обеспеченностью свыше 90 %, наиболее лимитирующие водное хозяйство - «экстремально маловодные» [4]. Если оценивать по среднегодовому стоку период с 1898 г., то 2010 г. является годом среднего маловодья, а экстремально маловодными - 1937 (150 км3), 1938 (162 км3), 1921 (163 км3) годы [4]. После создания водохранилищ на Средней и Нижней Волге (1958 г.) к экстремально маловодным годам следует отнести 1996 г. с расходом 4950 м3/с (156,1 км3), 1975 г. с расходом 5270 м3/с (165,9 км3), 1973 г. с расходом 5290 м3/с (166,8 км3) (рис. 2).
Совсем иная картина складывается при анализе водности с учетом сезонного распределения и оценки межгодовой изменчивости средних месячных расходов воды (рис. 3). При таком подходе август 2010 г. на Саратовском водохранилище является экстремально маловодным. По сравнению с августом 2009 г. расход воды катастрофически сократился в 3 раза (с 6300 до 2100 м3/с) (табл. 1). Столь маленького среднемесячного расхода воды в августе не наблюдалось даже в экстремальные маловодные годы. В августе 1996 г. расход воды составил 4900 м3/с, в 1975 г. - 3900 м3/с и в 1973 г. - 3700 м3/с.
12 000 10 000 8000 3 6000
4000 2000 0
Годы
Рис. 2. Среднегодовые расходы воды в створе Жигулевской ГЭС за 1958-2011 гг.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
12 000 10 000 8000 3 6000
4000 2000 0
Рис. 3. Изменение среднемесячных расходов воды в августе за период 1958-2011 гг.
А \ \ -1 •Л / / \ \ * / / Ч Л / Л г т
\ 4 \ V V * V V 1 / < / и
У * V
^^ююююююююфщььььььььььмммсососоммммааоо^^^ао^оооооооооо^-0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ 0\ оооооооооооо
Годы
Анализ данных табл. 1 убеждает в том, что крайне низкие расходы воды в августе 2010 г. были вызваны не только аномальными погодными условиями, но и неправильным сезонным регулированием водного стока. Расходы воды составляли в мае 17 900 м3/с, июне 7300 м3/с, июле 5300 м3/с. Совершенно очевидно, что в маловодные годы расходы воды в эти месяцы должны быть существенно меньше. Вероятно, подобное регулирование вызвано неправильным прогнозом водного стока.
Таблица 1. Расходы волжской воды в створе Жигулевской ГЭС, тыс. м3/с
Год Месяц
i ii iii iv v vi vii viii ix x xi xii
Экстремально маловодные годы
Аномальный год (2010 г.) по погодным условиям
Водное хозяйство России № 5, 2013
1996 5,0 4,4 3,7 5,4 12,1 4,7 5,5 4,9 5,5 4,7 3,6 5,0
1975 5,7 5,7 5,2 6,5 11,0 4,8 4,6 3,9 3,7 4,1 3,9 4,2
1973 4,3 3,4 4,7 8,1 16,4 3,6 3,6 3,7 3,6 4,0 3,1 5,1
Год средней водности
2009 7,4 6,9 5,5 12,2 16,3 6,7 6,0 6,3 5,6 5,5 5,1 5,8
2010 5,8 5,7 5,1 7,9 17,9 7,3 5,3 2,1 4,4 4,2 4,1 4,5
Водное хозяйство России
Летом 2010 г. на водохранилищах Средней и Нижней Волги установилась безветренная погода и наблюдалась необычно высокая температура воды в поверхностном слое. На участке Саратовского водохранилища с принудительным перемешиванием в районе Жигулевской плотины температура воды в 2010 г. существенно отличалась от температуры в 2009 г. (табл. 2): в летний период 2010 г. она была выше на 1,1-3,5 °С по сравнению с показателями 2009 г. Максимальная температура воды наблюдалась в июле 2010 г. в период массового развития синезеленых водорослей - 23,5 °С. Столь высокая температура воды для русловой части Саратовского водохранилища в районе Жигулевской плотины явление крайне необычное.
Результаты исследований показывают, что в 2010 г. сложились наиболее благоприятные условия для массового развития синезеленых водорослей по причине повышения температуры воды и снижения динамики водных масс. В результате биомасса фитопланктона, в основном за счет синезеленых водорослей, увеличилась в несколько раз по сравнению с 2009 г. (табл. 3).
Таблица 2. Температура волжской воды, °С
Год Месяц
i ii iii iv v vi vii viii ix x xi xii
2009 0,1 0,1 0,2 1,5 8,5 17,4 21,0 20,1 18,0 7,0 4,1 0,2
2010 0,1 0,1 0,2 1,2 10,2 20,4 23,5 21,2 18,4 8,4 4,2 0,2
Таблица 3. Содержание хлорофиллов в волжской воде, мкг/дм3
Год Месяц
i ii iii iv v vi vii viii ix x xi xii
Хлорофилл «а»
2009 н/о н/о н/о 1,04 0,76 2,67 1,02 1,68 0,69 0,75 0,30 0,44
2010 н/о н/о н/о н/о 2,31 4,85 8,56 6,62 3,24 1,60 1,22 0,85
Хлорофилл «Ь»
2009 н/о н/о н/о 0,05 0,38 0,59 0,56 0,84 0,18 0,96 0,73 н/о
2010 н/о н/о н/о н/о 0,04 н/о н/о н/о 0,15 0,60 0,68 0,74
Хлорофилл «с»
2009 н/о н/о н/о 0,21 0,64 1,00 1,10 1,54 0,44 2,30 1,11 0,02
2010 н/о н/о н/о н/о 0,82 1,09 1,04 1,43 1,03 1,27 1,26 1,25
Примечание: н/о - не обнаружено данным методом.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
Содержание хлорофилла «а» в воде существенно увеличилось в 2010 г. (рис. 4). Концентрация хлорофилла «а» выросла в июне с 2,67 до 4,85 мкг/дм3, в июле - с 1,02 до 8,56 мкг/дм3, в августе - с 1,68 до 6,62 мкг/дм3. Таким образом, из-за аномальных погодных условий в 2010 г. массовое развитие синезеленых водорослей увеличилось примерно в 2-8 раз. При этом изменилось соотношение таксономических групп водорослей. Концентрация хлорофилла «Ь» в июне, июле и августе практически равнялась нулю, что свидетельствует об отсутствии в этот период зеленых водорослей.
Процесс «цветения» воды нарушает биогеохимические циклы азота и фосфора [5] в водохранилищах и становится определяющим фактором формирования качества воды водохранилищ Средней и Нижней Волги. В период массового развития водорослей концентрация нитратов резко снижается. Чем больше биомасса водорослей, тем меньше концентрация нитратов в воде. В самый пик «цветения» концентрация нитратов в волжской воде снизилась в 2009 г. до 0,50 мгК/дм3, а в 2010 г - до 0,11 мгК/дм3 (табл. 4). Важно отметить, что даже в аномальный по погодным условиям 2010 г. (крайне благоприятный для продуктивности фитопланктона) нитраты не становятся лимитирующим фактором развития синезеленых водорослей.
Рис. 4. Сезонные изменения хлорофилла «а» в 2009 и 2010 г.
Водное хозяйство России
Таблица 4. Характеристика качества волжской воды
2009 г. 2010 г.
Месяц noз, мг№дм3 po4, м^/дм3 o2, мЮ/дм3 бпк5, мЮ/дм3 no3, мг№дм3 po4, м^/дм3 o2, мЮ/дм3 бпк5, мЮ/дм3
Январь 0,70 0,062 12,9 0,5 0,42 0,079 12,2 0,7
Февраль 0,94 0,058 11,9 0,6 0,42 0,064 10,6 0,6
Март 1,20 0,052 10,0 0,7 0,52 0,067 10,0 0,7
Апрель 1,10 0,053 9,3 0,8 0,58 0,057 9,8 0,7
Май 0,92 0,050 9,0 0,9 0,47 0,046 10,2 1,1
Июнь 0,58 0,046 8,8 1,4 0,20 0,020 8,6 1,5
Июль 0,50 0,040 8,0 1,6 0,11 0,010 6,4 2,1
Август 1,10 0,052 6,5 1,5 0,12 0,049 4,8 2,1
Сентябрь 0,12 0,017 7,5 1,1 0,30 0,092 6,6 1,7
Октябрь 0,12 0,096 9,1 0,7 0,31 0,099 10,1 0,7
Ноябрь 0,20 0,100 11,1 0,7 0,30 0,101 11,3 0,7
Декабрь 0,26 0,092 12,6 0,6 0,31 0,105 12,4 0,6
Наибольшая концентрация фосфатов наблюдается в зимний период. Летом концентрация резко падает и в июле наблюдается минимальное значение 0,040 м^/дм3 (2009 г.) и 0,010 м^/дм3 (2010 г.). Это объясняется большим потреблением водорослями фосфора в период их массового развития. В отсутствие «цветения» осенью и зимой концентрация фосфатов увеличивается.
В результате активного потребления водорослями нитратов и фосфатов их концентрация в воде водохранилища в летний период резко снижается. При этом содержание фосфатов становится незначительным, в то время как концентрация нитратов остается достаточно высокой. Можно предположить, что в пойменных частях водохранилища, где численность и биомасса фитопланктона намного больше, чем в русле, концентрация фосфатов будет приближаться к аналитическому нулю.
Наиболее отчетливо связь между концентрацией фосфатов и биомассой водорослей (по хлорофиллу «а») проявилась в аномальном 2010 г. (рис. 5). Сезонные изменения концентрации минерального фосфора и хлорофилла «а» находятся в противофазе. На рисунке отчетливо видно, что «бурное» развитие водорослей замедляется и прекращается после того, как концентрация минерального фосфора достигла аналитического нуля.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
0,12
0,11
0,10
0,09
0,08
0,07
я
0,06 --
5 0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
-+-
Месяцы
— Фосфаты • Хлорофилл «а»
Рис. 5. Сезонный ход фосфатов и хлорофилла «а» в 2010 г
Следовательно, содержание фосфатов в воде водохранилища является сдерживающим фактором развития синезеленых водорослей в летний период.
Процесс «цветения» обусловливает ухудшение качества воды (табл. 4): уменьшается концентрация растворенного кислорода и увеличивается органическое загрязнение. В августе 2009 г. концентрация растворенного кислорода в русловой части водохранилища составила 6,5 мгО/дм3, а в августе 2010 г. уменьшилась до критического уровня и составила 4,8 мгО/дм3 (рис. 6). И это на участке водохранилища (2,5 км ниже ГЭС), где происходит интенсивная аэрация. В соответствии с нормативными требованиями к водоемам рыбохозяйственного назначения, в летний период концентрация растворенного кислорода в воде не должна опускаться ниже 6,0 мгО/дм3.
Концентрация легко окисляемого органического вещества (по БПК5) в июле 2009 г. не превышала допустимой нормы и составила 1,6 мгО/дм3, а в июле 2010 г. - превысила предельно допустимое значение до 2,1 мгО/дм3.
Наряду с увеличением концентрации органических веществ и ухудшением кислородного режима возникает угроза токсического загрязнения водохранилищ, т. к. отдельные виды синезеленых водорослей способны продуцировать сильнодействующие токсины.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
ч С
й
51
а о
с;
к К
я й а н к
я
к £
2009 г
2010 г
¿У*?/ '//////У
^ О"
Месяцы
Г
Рис. 6. Сезонные изменения концентрации кислорода в 2009 и 2010 гг.
Интенсификация массового развития водорослей в условиях маловодья обусловливает общую деградацию водных экосистем и прекращение воспроизводства качественной природной воды. Ухудшение качества воды порождает цепную реакцию возникновения водохозяйственных проблем (питьевое водоснабжение, рекреация) и может привести к подрыву рыбных ресурсов промысловых водохранилищ.
В настоящее время предлагаются различные механические, химические [6] и биологические [7] методы борьбы с «цветением» воды. Однако все они ограничены во времени и пространстве, малоэффективны в условиях крупных водохранилищ. Важно отметить, что перечисленные методы нацелены на борьбу с последствиями антропогенного эвтрофирования водоемов, а не на причины, его вызывающие. На наш взгляд, необходима разработка долгосрочных профилактических методов, направленных на снижение поступления фосфора в водохранилища от точечных и диффузных источников загрязнения.
По нашим оценкам, только от точечных источников загрязнения в Волжский бассейн ежегодно поступает 13 тыс. т общего фосфора от 39 субъектов Российской Федерации. Из них больше половины сброса фосфора приходится на г. Москву (2300 т), Самарскую (930 т), Московскую (880 т), Нижегородскую (870 т), Ярославскую (910 т) области и Республику Татарстан (600 т). При этом концентрация фосфора в сточных водах в десятки и сотни раз превышает фоновую концентрацию в волжской воде.
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
Заключение
Проведенные исследования показывают, что аномальные погодные условия (жара и засуха) способствуют увеличению продуктивности водорослей и ухудшению качества воды. Следовательно, в условиях глобального потепления климата проблема антропогенного эвтрофирования водохранилищ будет только усиливаться.
При дальнейших исследованиях особое внимание следует обратить на фосфорную нагрузку, которая оказывает первостепенное влияние на устойчивость водных экосистем и лимитирует процесс «цветения» воды.
Одной из главных причин чрезмерного поступления фосфора в водохранилища является низкая эффективность очистки сточных вод и несовершенство системы нормирования антропогенной нагрузки. В частности, в качестве критериев нормирования применяют одинаковые для всей территории России предельно допустимые концентрации, которые зависят только от вида водопользования и не учитывают региональных особенностей формирования природных вод. В результате устанавливаются ошибочные приоритеты управления антропогенной нагрузкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Герасимова Н.А. Фитопланктон Саратовского и Волгоградского водохранилищ. Тольятти.
1996. 200 с.
2. Паутова В.Н., Номоконова В.И. Динамика фитопланктона Нижней Волги - от реки к
каскаду водохранилищ. Тольятти. 2001. 279 с.
3. Абакумов В.А. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных эко-
систем. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 318 с.
4. Зайцева И.С. Маловодные годы в бассейне Волги: природные и антропогенные факторы.
М.: Наука, 1990. 184 с.
5. Моисеенко Т.И. Антропогенно-индуцированные процессы в биосфере // Вестник Россий-
ской академии наук. 2011. Т. 81. № 12. С. 1100-1108.
6.ХрисановН.И., ОсиповГ.К. Управление эвтрофированием водоемов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 278 с.
7. Остроумов С.А. Синэкологические основы решения проблемы эвтрофирования // ДАН.
2001. Т. 381. № 5. С. 709-712.
Сведения об авторах:
Селезнёва Александра Васильевна, к. т. н., старший научный сотрудник, ФГБУН Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук (ИЭВБ РАН), 445003, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; e-mail: seleznev53@mail.ru
Беспалова Ксения Владимировна, младший научный сотрудник, ФГБУН Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук (ИЭВБ РАН), 445003, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; e-mail: kvbespalova@yandex.ru
Селезнёв Владимир Анатольевич, д. т. н., заведующий лабораторией, ФГБУН Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук (ИЭВБ РАН), 445003, г. Тольятти, ул. Комзина, 10; e-mail: seleznev53@mail.ru
Водное хозяйство России № 5, 2013
Водное хозяйство России
